生物多樣性包括物種多樣性、遺傳多樣性和生態(tài)系統(tǒng)多樣性，其成因是生物學(xué)中的核心問題之一。陸地環(huán)境中，山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)蘊藏著異常多樣的陸地生物多樣性，可能的解釋包括巨大的海拔梯度變化形成了多樣的微環(huán)境，促進了種群的分化。因此，山地生物區(qū)系及其與低地生物多樣性熱點的關(guān)系為人們理解多樣性的形成原因提供了重要的切入點。枯葉蛺蝶屬（Kallima）蝴蝶物種豐富，在山地和低海拔的生物熱點地區(qū)均有分布，是研究山地物種多樣性產(chǎn)生機制的理想系統(tǒng)。與此同時，枯葉蛺蝶屬蝴蝶作為葉形擬態(tài)（leafmimicry）動物中最為著名和引人注目的種屬之一，曾被AlfredRusselWallace稱為“themostwonderfulandundoubtedcaseofprotectiveresemblanceinabutterfly”。枯葉蛺蝶屬蝴蝶中存在豐富的葉形擬態(tài)多態(tài)性，當(dāng)其翅向后折疊，可惟妙惟肖地模擬棕色的枯萎葉片，其翅腹面的葉形擬態(tài)圖案組成包括類似于葉中脈、次脈、葉柄等圖案元素，以及類似于霉斑的可變標記。這一種群內(nèi)部的獨特多態(tài)性使枯葉蛺蝶屬也成為研究遺傳多樣性的良好體系。

文章標題截圖

2022年8月2日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點實驗室、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心張蔚課題組，以封面文章的形式在Cell雜志在線發(fā)表了題為“Theevolutionanddiversificationofoakleafbutterflies”的研究論文。研究整合多組學(xué)數(shù)據(jù)，以枯葉蛺蝶屬蝴蝶為研究系統(tǒng)，對于其物種多樣性和遺傳多樣性的產(chǎn)生機制及演化歷程進行了深入探究。本研究在宏觀層面解析出喜馬拉雅山脈東部地區(qū)為該屬蝴蝶的起源地與分化中心，青藏高原的隆升可能促進屬內(nèi)物種分化；同時于微觀層面鑒定出控制枯葉蛺蝶翅腹面葉形擬態(tài)多態(tài)性的基因cortex，并發(fā)現(xiàn)其在多個物種中經(jīng)歷了長時間的平衡選擇。該研究為理解由地理變化和自然選擇驅(qū)動的演化創(chuàng)新提供了一個新的視角，為生物多樣性的研究提供了新的理論和范式。

通過采集枯葉蛺蝶屬的13個地理種群樣本及其他蛺蝶科樣本，本研究對共計21屬105份蝴蝶標本進行基因組重測序，追溯了枯葉蛺蝶屬的起源。系統(tǒng)發(fā)育、種群遺傳結(jié)構(gòu)及歷史種群數(shù)量的分析結(jié)果表明，枯葉蛺蝶屬在系統(tǒng)發(fā)生樹上形成單系，各物種存在較為獨立的遺傳背景，多個種群曾隨地球溫度下降而出現(xiàn)種群數(shù)量的減少。隨后的種群動態(tài)歷史分析、基于最大熵模型的棲息地建模及對系統(tǒng)發(fā)生樹進行時間矯正的結(jié)果顯示，多個種群由墨脫地區(qū)遷出向東南亞的島嶼擴散，而喜馬拉雅山脈東部地區(qū)在多個歷史時期為枯葉蛺蝶屬提供了適宜度較高的棲息地，且屬內(nèi)物種分化時間對應(yīng)了青藏高原的隆升時間。綜合以上分析結(jié)果，本研究提出，由于青藏高原隆升形成的豐富山地微環(huán)境促進了枯葉蛺蝶屬物種分化，使喜馬拉雅山脈東部地區(qū)成為枯葉蛺蝶屬的分化中心。

枯葉蛺蝶屬蝴蝶采樣信息及系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系

枯葉蛺蝶屬蝴蝶種群歷史動態(tài)變化

為剖析枯葉蛺蝶屬翅腹面葉形多態(tài)性的遺傳學(xué)機制，本研究聚焦枯葉蛺蝶中華亞種，基于78份個體樣本的二代基因組重測序數(shù)據(jù)，對其10種葉形表型進行了全基因組關(guān)聯(lián)分析，同時結(jié)合從基因組從頭組裝、基因表達、染色質(zhì)相互作用分析和CRISPR/Cas9介導(dǎo)的基因組編輯中獲得的證據(jù)，本研究確定葉形擬態(tài)表型的多態(tài)性由cortex基因調(diào)控，鑒定出5個主要的cortex單倍型，并發(fā)現(xiàn)包括染色體倒位，拓撲關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)域（topologicallyassociatingdomain,TAD）等機制維持了三個單倍型中cortex基因附近區(qū)域的強連鎖。此外，通過對枯葉蛺蝶屬的cortex基因進行分型和群體遺傳學(xué)建模分析，本研究發(fā)現(xiàn)由頻率依賴的負選擇驅(qū)動的平衡選擇模型可以較好地擬合真實情況，且葉形擬態(tài)的多態(tài)性產(chǎn)生于屬內(nèi)物種分歧之前。這為跨物種的、長期的平衡選擇提供了一個罕見的、具有明確適應(yīng)性質(zhì)的實例。

cortex單基因控制了葉形擬態(tài)多態(tài)性

cortex缺失影響葉形擬態(tài)圖案形成

cortex各單倍型存在于枯葉蛺蝶屬多物種中

綜上所述，本研究聚焦枯葉蛺蝶屬，深入解析了枯葉蛺蝶屬物種多樣性的起源和演化歷程，并為枯葉蛺蝶屬葉形擬態(tài)多態(tài)性的產(chǎn)生和維持機制提供了遺傳學(xué)證據(jù)，整合了宏觀演化和微觀演化的研究思路，為理解物種形成、遺傳多樣性、適應(yīng)性演化等重要演化問題提供了新的視角和范例。

枯葉蛺蝶屬物種多樣性和遺傳多樣性產(chǎn)生機制的模式圖

本研究依托蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點實驗室、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、北京大學(xué)生態(tài)研究中心、北京大學(xué)青藏高原研究院開展工作，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心的張蔚研究員為本文通訊作者；北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院博士生王姝婷、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生滕德群、中國科學(xué)院昆明動物研究所李學(xué)燕副研究員為本文共同第一作者；北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生楊培文、前沿交叉學(xué)科研究院博士生張逸茗、張宇博、姜智勝、王清儀、北京腦科學(xué)與類腦研究中心張忻爽、中國科學(xué)院昆明動物研究所劉貴春、萬雯婷、董志巍、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院黃順對本項目作出了重要貢獻；西藏自治區(qū)高原生物研究所達娃副研究員、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院高級工程師王東輝、紐約城市大學(xué)生物系DavidLohman副教授、四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院吳永杰副教授、中國科學(xué)院青島海洋動物研究所張琳琳研究員、江西中醫(yī)藥大學(xué)賈鳳海教授、美國阿肯色大學(xué)EricaWesterman助理教授、北京腦科學(xué)與類腦研究中心計算中心與基因組學(xué)中心主任張力、西北工業(yè)大學(xué)王文教授對本項目做出重要的指導(dǎo)和幫助。

本研究得到了國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、北大-啟東創(chuàng)新基金、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點實驗室的資助；北京大學(xué)李程研究員、北京大學(xué)顧紅雅教授、芝加哥大學(xué)龍漫遠教授、中國科學(xué)院動物研究所魏輔文院士等多位專家教授為本研究提供了指導(dǎo)和建議；北京大學(xué)“北極星”高性能計算平臺、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院高性能計算平臺及北京大學(xué)鳳凰工程多個儀器平臺為本研究提供了支持和幫助。

參考文獻

1.Rahbek, C. et al. Building mountain biodiversity: Geological and evolutionary processes. Science.365, 1114–1119 (2019).

2.Wallace, A. R. Darwinism: An Exploitation of the Theory of Natural Selection with Some of its Applications. (London: Macmillan, 1989).